無(wú)機(jī)非金屬材料【第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素】人教版高中化學(xué)必修第二冊(cè)新課導(dǎo)入這些高科技產(chǎn)品的核心材料，其實(shí)都屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，它們?nèi)绾螐膫鹘y(tǒng)走向尖端？航天飛機(jī)隔熱瓦醫(yī)用生物陶瓷一、硅酸鹽材料材料的分類材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類使用材料除了金屬材料，還有無(wú)機(jī)非金屬材料等。許多無(wú)機(jī)非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點(diǎn)，以及特殊的光學(xué)、電學(xué)等性能。金屬材料：純金屬和合金無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料新型無(wú)機(jī)非金屬材料材料一、硅酸鹽材料一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在于地殼、巖石中硅酸鹽的存在：硅酸鹽的性質(zhì)：大多數(shù)難溶于水，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定硅酸鹽的表示方法：①用鹽的化學(xué)式表示，如Na2SiO3②用氧化物的形式表示，如Na2O·SiO2純凈物硅酸鹽一、硅酸鹽材料硅酸鹽硅酸鹽改寫成氧化物形式的書寫方法：①順序：活潑金屬氧化物，較活潑金屬氧化物，二氧化硅，水氧化物之間用“?”隔開②元素化合價(jià)不變，原子比例不變③如果計(jì)量數(shù)出現(xiàn)分?jǐn)?shù)，應(yīng)將其化為整數(shù)Al2Si2O5(OH)4KAlSi3O8Mg2SiO4·Al2O3K2O6SiO2

·Al2O3·2SiO2·2H2O2MgO·SiO2一、硅酸鹽材料傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料多為硅酸鹽材料，在日常生活中隨處可見。思考與討論在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體，硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)。為什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)？在1mol硅氧四面體中：有

molSi原子有

molO原子有

molSi-O鍵124一、硅酸鹽材料拓展與延伸硅氧四面體通過(guò)頂角的O相互連接，每個(gè)O為兩個(gè)四面體所共有。一、硅酸鹽材料硅酸鈉硅酸鈉的物理性質(zhì)：白色固體，可溶于水，俗稱泡花堿其水溶液的俗稱水玻璃。硅酸鈉的用途：是一種礦物黏合劑，有很強(qiáng)的黏合性化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易燃燒，作阻燃材料不易腐蝕，作防腐劑硅酸鈉的化學(xué)式：Na2SiO3一、硅酸鹽材料硅酸硅酸的物理性質(zhì)：白色膠狀沉淀，難溶于水酸性比碳酸還弱，不能使紫色石蕊變紅硅酸的用途：硅酸干凝膠可做干燥劑硅酸的化學(xué)式：H2SiO3一、硅酸鹽材料硅酸鈉和硅酸的化學(xué)性質(zhì)a.制硅酸：硅酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)生成硅酸，其化學(xué)方程式是b.少量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中生成沉淀的離子方程式是c.過(guò)量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中生成沉淀的離子方程式是d.硅酸不穩(wěn)定，受熱易分解，其化學(xué)方程式是Na2SiO3+2HCl

H2SiO3↓+2NaClSiO32-

+CO2+H2OH2SiO3↓+CO32-SiO32-+2CO2+2H2OH2SiO3↓+2HCO3-H2SiO3

SiO2+H2O△一、硅酸鹽材料一、硅酸鹽材料拓展與延伸硅酸鈉和硅酸如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明酸性：鹽酸>碳酸>硅酸？一、硅酸鹽材料陶瓷黏土（含水的鋁硅酸鹽）高溫?zé)Y(jié)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具原料：條件：用途：性能：熔點(diǎn)高、硬度大、耐腐蝕、性質(zhì)穩(wěn)定一、硅酸鹽材料玻璃純堿、石灰石和石英砂（主要成分SiO2）玻璃窯Na2SiO3、CaSiO3、SiO2原料設(shè)備原理成分應(yīng)用生產(chǎn)建筑材料、光學(xué)儀器、制造玻璃纖維用于高強(qiáng)度復(fù)合材料等玻璃是非晶體無(wú)固定熔點(diǎn)，透光性好，硬度大CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑高溫Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑高溫一、硅酸鹽材料水泥黏土和石灰石水泥回轉(zhuǎn)窯原料：設(shè)備：石膏的作用：條件：高溫煅燒調(diào)節(jié)水泥硬化速率成分：硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)應(yīng)用：水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土，用于建筑和工程二、單質(zhì)硅元素周期表中的位置氮原子的結(jié)構(gòu)硅元素位于元素周期表中：第二周期ⅣA族硅原子的最外電子層有4個(gè)電子，既不容易得到4個(gè)電子，也不容易失去4個(gè)電子+14284Si氮化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，主要形成四價(jià)的化合物二、單質(zhì)硅硅單質(zhì)的物理性質(zhì)硅的存在形式硅是親氧元素，沒(méi)有游離態(tài)，自然界主要以硅酸鹽和氧化物的形式存在。灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體熔、沸點(diǎn)高、硬度大晶體硅是良好的半導(dǎo)體二、單質(zhì)硅穩(wěn)定性化學(xué)性質(zhì)常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，但可以和氟氣、氫氟酸和強(qiáng)堿溶液反應(yīng)Si+4HFSiF4↑+2H2↑Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑Si+F2SiF4Si是能與NaOH溶液反應(yīng)放出氫氣的非金屬單質(zhì)二、單質(zhì)硅還原性化學(xué)性質(zhì)在加熱下，硅可以和某些非金屬單質(zhì)反應(yīng)Si+O2SiO2Si+2Cl2SiCl4用途①半導(dǎo)體材料，如計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和家用電器的芯片②新型能源，如光伏電站、人造衛(wèi)星和電動(dòng)汽車的硅太陽(yáng)能電池二、單質(zhì)硅高純硅的制備工業(yè)上制備高純硅，一般需要先制得純度為98%左右的粗硅，再以其為原料制備高純硅。①②③1100℃300℃石英砂焦炭粗硅高純硅HClH2SiHCl31800~2000℃①SiO2+2CSi(粗)+2CO↑18000C~20000C②Si+3HClSiHCl3+H23000C③SiHCl3+H2Si+3HCl11000C三、二氧化硅存在形式SiO2是硅的重要化合物，在自然界中其存在形態(tài)有結(jié)晶形（水晶、瑪瑙）和無(wú)定形（硅藻土）兩大類。水晶瑪瑙硅藻土三、二氧化硅物理性質(zhì)純凈的二氧化硅是無(wú)色的晶體熔點(diǎn)高、硬度大不溶于水，也不溶于其他一般溶劑結(jié)構(gòu)二氧化硅中硅原子與氧原子個(gè)數(shù)比為1：2

，用SiO2來(lái)表示二氧化硅的組成，

SiO2

只是化學(xué)式，晶體中不存在“SiO2分子”

立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三、二氧化硅化學(xué)性質(zhì)酸性氧化物的通性（類比CO2）①難溶于水，與水不反應(yīng)（特殊）②與強(qiáng)堿反應(yīng)

SiO2+CaO

CaSiO3高溫③與堿性氧化物反應(yīng)④與某些鹽反應(yīng)

SiO2

+2NaOH

Na2SiO3

+H2ONa2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑高溫CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑高溫三、二氧化硅思考與討論①

SiO2與水不反應(yīng)，如何通過(guò)SiO2

來(lái)制H2SiO3？SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2ONa2SiO3

+HCl

H2SiO3↓+2NaCl②實(shí)驗(yàn)室中要熔化NaOH固體，手頭上有三種坩堝：石英坩堝、陶瓷坩堝和鐵坩堝。請(qǐng)大家討論我們應(yīng)當(dāng)使用哪一種？鐵坩堝。石英坩堝和陶瓷坩堝的主要成分均含SiO2，能與NaOH反應(yīng)。三、二氧化硅思考與討論③實(shí)驗(yàn)室盛放堿溶液的試劑瓶使用橡膠塞，而不用玻璃塞？已知：普通玻璃的組成中含有較多的二氧化硅SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O若使用帶玻璃塞的試劑瓶盛放堿液，堿液能與玻璃中SiO2發(fā)生反應(yīng)生成Na2SiO3，導(dǎo)致玻璃塞與瓶口內(nèi)側(cè)粘連而無(wú)法打開。SiO2的特性三、二氧化硅化學(xué)性質(zhì)SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2OHF能腐蝕玻璃，因此，盛裝氫氟酸不能用玻璃試劑瓶而要用塑料瓶思考：SiO2既可與堿反應(yīng)，也能與氫氟酸反應(yīng)，推斷SiO2為兩性氧化物，是否正確?不正確。兩性氧化物指既能與酸反應(yīng)生成鹽和水，又能與堿反應(yīng)生成鹽和水的氧化物。SiO2能與氫氟酸反應(yīng)，但并不生成鹽和水。三、二氧化硅化學(xué)性質(zhì)弱氧化性SiO2＋2CSi＋2CO↑

高溫思考：該反應(yīng)能否說(shuō)明C與Si的非金屬性強(qiáng)弱？不能，因?yàn)榉墙饘傩员容^的是得電子能力，表現(xiàn)為單質(zhì)的氧化性，而該反應(yīng)中C是還原劑，Si是還原產(chǎn)物，主要體現(xiàn)碳的還原性。三、二氧化硅用途光導(dǎo)纖維裝飾品玻璃器材四、新型陶瓷新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面具有很多新的特性和功能。碳化硅(SiC)俗稱：金剛砂性能與用途：硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料優(yōu)異的高溫抗氧化性能可用作耐高溫結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料四、新型陶瓷類別成分性能應(yīng)用高溫結(jié)構(gòu)陶瓷SiCSi3N4某些金屬氧化物耐高溫、抗氧化、耐腐蝕透明陶瓷氧化鋁、氧化釔氮化鋁、氟化鈣優(yōu)異的光學(xué)性能、耐高溫，絕緣性好高壓鈉燈、激光器、高溫探測(cè)窗壓電陶瓷鈦酸鹽、鋯酸鹽實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化濾波器、揚(yáng)聲器、點(diǎn)火器超導(dǎo)陶瓷某臨界溫度下電阻為零，超導(dǎo)性電力、交通、醫(yī)療火箭、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，高溫電極材料五、碳納米材料富勒烯由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱組成：性能：應(yīng)用：具有特殊的光學(xué)性質(zhì)、電導(dǎo)性及化學(xué)性質(zhì)如C50、C60、C70、C120等類別：醫(yī)療，工業(yè)，科研等方面都有應(yīng)用五、碳納米材料碳納米管由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑組成：性能：應(yīng)用：比表面積大，具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等五、碳納米材料石墨烯只有一個(gè)碳原子直徑厚度的單層石墨組成：性能：應(yīng)用：電阻率低、熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度應(yīng)用于光電器件、超級(jí)電容器、電池和復(fù)合材料等無(wú)機(jī)非金屬材料硅酸鹽材料硅和二氧化硅硅二氧化硅六、課堂小結(jié)存在形式物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)新型陶瓷材料分類硅酸鹽傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料碳納米材料用途硅的性質(zhì)高純硅的制備用途隨堂練習(xí)1．下列關(guān)于硅酸鹽材料的說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．生活中常見的硅酸鹽材料有玻璃、水泥、陶瓷B．普通玻璃的主要成分是二氧化硅C．陶瓷的主要原料是黏土D．硅酸鹽水泥以石灰石和黏土為主要原料B隨堂練習(xí)2.中國(guó)是瓷器的故鄉(xiāng)，鈞瓷是宋代五大名窯瓷器之一，以“入窯一色，出窯萬(wàn)彩”的神奇窯變著稱。下列關(guān)于陶瓷的說(shuō)法正確的是（）A．高品質(zhì)的白瓷晶瑩剔透，屬于純凈物 B．瓷器中含有大量的金屬元素，因此陶瓷屬于金屬材料 C．氮化硅陶瓷屬于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料 D．“窯變”是高溫下釉料中的金屬化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致顏色的變化D3.下列敘述正確的是（）A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以兩者物理性質(zhì)相似

B．因?yàn)镃aCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸強(qiáng)

C．CO2和SiO2都能與碳反應(yīng)，且都作氧化劑

D．SiO2既能和NaOH反應(yīng)，又能和HF反應(yīng)，所以二氧化硅屬于兩性氧化物C隨堂練習(xí)4.（1）計(jì)算機(jī)芯片和太陽(yáng)能電池的主要成分是

，光導(dǎo)纖維的主要成分是

；（2）工藝師常用氫氟酸來(lái)雕刻玻璃，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為

；（3）